涡激诱导并列双圆柱碰撞数值模拟研究

圆柱类结构物的涡激振动是工程中较为常见的一种现象,如果圆柱结构物之间的距离较小, 就会产生涡激诱导碰撞现象,而涡激碰撞会比涡激振动对结构物疲劳破坏产生更严重的威胁.采用浸入边界法模拟流体中的动边界问题,避免了传统贴体网格方法在求解流体中存在固体间碰撞问题时出现数值求解不稳定问题,采用有限元方法对圆柱的运动和碰撞进行求解,通过数据回归方法建立了流体流动条件下的润滑模型,对不同间隙比下涡激诱导并列双圆柱振动及碰撞过程进行了数值模拟, 数值结果表明,如果两圆柱产生了碰撞将会有连续的碰撞发生, 碰撞时出现了多阶频率,振动主频率要比无碰撞时大, 两圆柱碰撞时的相对速度比自由来流速度小;当两圆柱相互接近时, 随着涡环分离角度的逐渐倾斜, 横向流体力先逐渐减小,当两圆柱间涡环开始相互影响发生挤压时, 横向流体力开始逐渐增大;当两圆柱开始反弹时, 两圆柱间形成了低压区, 改变了横向流体阻力的方向,使两圆柱又产生了接近运动,如此反复从而产生了碰撞后横向流体力和圆柱速度的振荡现象.      

井筒内杆管柱双层接触有限元分析及应用

构造双层多向接触间隙元描述细长油管柱与内外杆管柱的随机接触摩擦问 题,与空间梁单元相结合,采用变刚度与等刚度交替方式求解,得出抽油杆柱与油管柱以及 油管柱与套管柱的接触状态、接触位置、摩阻力大小以及抽油杆柱与油管柱在任意井深处的 广义内力、应力和变形. 三口井算例表明,抽油杆柱与油管柱的井口悬重误差低 于10{\%}, 能够为抽油杆和油管柱设计和失效分析提供可靠的计算方法和理论依据.     

基于间隙元法对抽油杆扶正器合理间距进行计算

采用间隙元来模拟抽油杆与油管内壁的接触摩擦状态,将梁单元与间隙元结合,建立了抽油杆力学分析的有限单元法.方法能够求解出抽油杆柱在不同工况(上、下冲程)的受力变形状态,抽油杆与油管的接触摩擦状态.同时,建立了抽油杆扶正器合理间距计算原则,使中间抽油杆与油管不发生接触、接箍和扶正器与油管的接触摩擦力最小化,使抽油杆与油管偏磨降到最低.对抽油机井杆管偏磨以及治理具有一定的理论指导意义.     

Nanomorph Silicon Thin Films Prepared by Using an HW-MWECR CVD System

We have prepared hydrogenated nano-amorph silicon (na-Si:H) films by using a hot-wire-assisted microwave electron-cyclotron-resonance (HW-MWECR) chemical vapour deposition (CVD) system. The films are deposited in two steps: in the first 9rain, a hydrogenated amorphous silicon layer is deposited by using hydrogen-diluted silane with a concentration of SiH4/(SiH4 H2) = 20%, and then a nanocrystalline silicon (nc-Si) layer is deposited by using various highly hydrogen-diluted silane. The Raman TO-like mode peak of the films was found in the range 497-508cm^-1. When the silane concentration used for preparation of the nc-Si layer is 14.3%, the film has a large crystalline volume fraction of 65.4%, a wide optical band gap of 1.89eV and a low hydrogen content of 9.5 at.%. Moreover, the na-Si:H films rather than nc-Si possess high photosensitivity of about 10^5.     

圆筒内横向流体与弹性管耦合的分域求解算法

海洋丛式井组隔水管和换热器管束等在流体作用下,会诱导管束振动及碰撞,导致管束断裂失效。将弹性管离散成梁单元,采用非线性结构动力学方程描述;将圆筒流体域离散成实体单元,采用计算流体动力学方程描述。在流固耦合界面处,推导了界面位移、速度和载荷计算公式及收敛判断准则,建立了圆筒内横向流体与弹性管耦合的分域求解算法。算例表明,其分域与全域求解计算结果吻合较好,本文算法为复杂流体域内多根管束的振动及碰撞问题求解提供行之有效的计算方法。     

受压油管屈曲变形与内外层杆管接触分析

针对机械采油工程中杆管偏磨问题, 考虑直井内受压油管屈曲变形与套管、 抽油杆的双层接触, 以及油管和抽油杆的变截面结构和环空间隙, 采用有限元结构稳定性分 析方法对受压油管进行失稳计算, 将求得的多阶失稳波形叠加值作为油管柱的初始位移, 再 采用大位移和接触非线性分析方法模拟受压油管屈曲变形, 以及与套管和抽油杆间的接触摩 擦, 为套管内受压油管屈曲变形分析提供了一种计算方法.     

有限流体域内不同位置处的柔性管涡致振动机理研究

针对有限流体域内柔性管的涡致振动问题,将柔性管离散为若干空间梁单元,流体域采用实体单元离散,建立了有限流体域内柔性管系统的流固耦合模型及数值计算方法,设计并加工圆柱流体域内柔性管振动专用实验装置,采用GWT-2B双轴加速度传感器对柔性管的振动进行监测,并与数值模拟结果进行对比,吻合程度较好.基于该文的模型和方法,对圆柱流体域内不同位置处柔性管的涡致振动机理进行研究.结果表明,柔性管偏离入口流速位置的角度越大,越容易发生流体弹性不稳定性,柔性管的振动愈剧烈;而正对入口流速的位置,不易发生流体弹性不稳定性,柔性管振动减弱.     

大尺寸Bi、Al替DyIG磁光膜的均匀性研究

首先应用磁介质中的传输矩阵处理方法建立分层磁光介质材料中耦合法拉第角的计算模型,其次用热分解工艺制备出分层Bi、Al替DyIG磁光薄膜。经测试发现分层工艺对膜面各点的法拉第角有极大影响,其法拉第角差别在±0.5°左右,采用加热连续涂布及快速循环退火可使不均匀性大大降低。     

颗粒群碰撞搜索及CFD-DEM耦合分域求解的推进算法研究

在采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluiddynamics-discrete element method, CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时, 颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率. 为此, 本文选取每个目标颗粒为研究对象, 引入插值函数计算时间步的运动位移, 构建可变空间搜索网格; 通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表, 采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒, 从而提出一种改进的DEM方法(modified discreteelement method, MDEM). 该算法在颗粒群与流体耦合计算中, 颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制, 通过自动调整和修正实现大步长, 由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步, 使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决, 为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法. 通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟, 得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数, 与理论计算结果的相对误差均低于2%, 与传统的DEM碰撞搜索算法相比, 在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度, 且有较高的计算效率. 通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟, 采用传统的CFD-DEM方法, 只有颗粒计算时间步选取10$^{-6}$ s或更小才能得到精确解, 而采用本文方法取10$^{-4}$ s也能够得到精确解, 避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题, 且计算耗时降低了16.7%.      

圆筒流体域内管束振动与碰撞接触的流固耦合动力学方法研究

在海洋平台、核电站、石油石化等工业中,海洋从式井组隔水管、换热器管束等在流体作用下,可能诱导管束振动过大,引起管束之间碰撞,从而导致管束失效.这是一种典型的管束振动与碰撞接触的流固耦合动力学问题.但管束与流体耦合动力学及其碰撞接触的研究成果还未见报道.该文针对管束振动与碰撞接触非线性动力学问题,以三维管束及圆筒流体域内的非定常流体为研究对象,不仅考虑流固耦合界面位移、速度协调以及载荷平衡条件,还考虑管束接触边界以及流体域耦合边界拓扑结构的改变,建立了圆筒流体域内管束振动与碰撞力学模型及算法.算例结果表明,在圆筒流体域内,弹性管束发生接触碰撞时,流体压力在管束接触点处相等,且流体在管束侧流面流动较快.